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PNAS｜美国明尼苏达大学揭示血色花蜜的成色机制，及其在不同植物中的趋同进化

花匠小妙招
2024-12-14 23:57

来源：Mol Plant植物科学

2022年1月24日， PNAS在线发表了美国明尼苏达大学Clay J. Carter和Adrian D. Hegeman团队题为“ Convergent evolution of a blood-red nectar pigment in vertebrate-pollinated flowers ”的研究论文。该研究发现岛风铃血色花蜜的成色机制是由3个酶形成的一种新生物碱，岛风铃素（Nesocodin）；同时，茄科植物蜜钟茄的花蜜中也含岛风铃素，但其合成酶并不由同源基因编码， 揭示了岛风铃素在两种植物中的趋同进化。

https://doi.org/10.1073/pnas.2114420119

近90%开花植物的繁殖依赖于动物，在此过程中，植物为授粉者提供花蜜作为主要奖励。除了糖份外，花蜜中还含有许多不同的溶质，它们发挥着重要的生态作用；然而，不同物种间花蜜成分多样性的分子基础是什么，并不清楚。一种罕见的特性是产生有色花蜜，已知大约有70种植物会产生有色花蜜，以毛里求斯岛风铃（ Nesocodon mauritianus ）的血色花蜜为例，它鲜艳的色彩可能被用作授粉者的视觉引诱剂，有助于其吸引授粉者的到来。有研究表明毛里求斯岛风铃花蜜的血红色来自二羟基甲氧基黄酮（3 ,5 -dihydroxy-4 -methoxyaurone），并和另外几种产生有色花蜜的毛里求斯植物一起被壁虎授粉。然而，有色花蜜的特性、合成途径及其功能，仍然未知。

该研究发现，岛风铃的花蜜刚产生的时候也是黄色的；但随着时间的延长，慢慢变成桔色，最后变为血红色。研究人员发现，花蜜的pH在这个过程中也发生了变化，由酸性变成碱性。同时，这个导致花蜜呈血红色的化合物，在碱性条件下的吸收峰为505nm，酸化后则变为403nm（Figure 1）。

Figure 1. 岛风铃花蜜的颜色随时间和pH变化

利用上述pH特性，该研究分别鉴定到芥子醛（sinapaldehyde）和脯氨酸；并证实这两个物质的混合，可产生pH依赖性红色色素，并命名为岛风铃素（Figure 1F）。通过SDS-PAGE，研究人员进一步发现了参与岛风铃素生物合成的3个酶：NmNec1、NmNec2和NmNec3。NmNec1是一个碳酸酐酶（carbonic anhydrase），介导了岛风铃花蜜的碱化；NmNec3是一个GMC黄素酶氧化还原酶（flavoenzyme oxidoreductase），可使芥子醇（sinapyl alcohol）转变为芥子醛；NmNec2是一个类铁蛋白过氧化氢酶（ferritin-like catalase），可防止岛风铃素被 H 2 O 2 分解（Figure 2）。

Figure 2. 岛风铃素的生物合成模式图

通过行为学实验，该研究证明含有岛风铃素的血色花蜜可引起授粉者（昼行壁虎和鸟类）的注意，并对昼行壁虎有强烈的吸引作用。

有趣的是，研究人员在茄科植物蜜钟茄（ Jaltomata herrerae ）的血色花蜜中，也发现了岛风铃素。那么，素在两种植物中的形成是一种保守机制，还是趋同进化呢？该研究发现，尽管蜜钟茄花蜜中也有碳酸酐酶，但其和岛风铃的同一性只有42%；且它们的醇氧化酶属于两个不同的酶家族，只有21%同一性（Figure 3）。这些结果表明，岛风铃素在桔梗科的岛风铃和茄科的蜜钟茄中的产生机制是不同的，是趋同进化。

Figure 3. 蜜钟茄血色花蜜中的岛风铃素

综上所述，该研究发现了岛风铃血色花蜜的成色机制，证实了红色素对植物授粉者昼行壁虎的吸引，并揭示了血色花蜜在两个远亲植物物种间的趋同进化。这些发现将作为起点，为深入研究不同物种间的相互作用是如何推动新色素进化的，提供了一个理想的科学研究系统。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/119/5/e2114420119

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所属分类：花卉